TW201328125A - 轉子及其組裝方法 - Google Patents

Abstract

一種轉子，包含一貫穿形成有多個槽道的鐵心、多個穿置於所述槽道內且兩端突伸於鐵心外的傳導棒，及多個複合金屬塊，每一複合金屬是設置於該鐵心外並塞置接合於兩相鄰傳導棒之間，該複合金屬塊包括一第一金屬層、二形成於該第一金屬層兩相反面的第二金屬層、一連接第一、二金屬層之一端的第一端面，及一連接第一、二金屬層之另一端的第二端面，該複合金屬塊是由該第一端面往該第二端面的方向漸縮。藉此，能提升轉子之傳導棒與複合金屬塊之間的結合度，提高電感與安全性。本發明亦提供該轉子的組裝方法。

Description

轉子及其組裝方法

本發明是有關於一種轉子及該轉子的組裝方法，特別是指一種可以適用於電動機或發電機的轉子及其組裝方法。

如US3,778,652所揭露的馬達轉子是以鋁壓鑄為主，因製程簡單、鋁熔點低，因此可以大量生產，但缺點是壓鑄過程易產生較多雜質及氣泡，且鋁材與銅材相較，鋁雖便宜、易壓鑄，但會降低電傳導與感應特性。之後發展出將多數條狀式銅條(rotor bar)貫穿且兩端皆突出於轉子電磁矽鋼片後，再與端環(end ring)進行接合而形成轉子的方式。其中接合方法主要有電弧熔銲、摩擦銲及硬銲。上述接合方法優點在於銅條的貫穿性完全、電傳與感應性極佳，同時銅條的外形與排列密度可提高，馬達的性能增加，但缺點分別如以下所述：

1.電弧熔銲法：將銅條突出部份以電弧銲接法將銅線熔化與銅條融合並堆銲一定厚度形成端環，通常需進行2~3次以上的堆銲程序。此種方式易在銲接區產生缺陷如氣孔、氧化；同時銲接過程溫度極高，對矽鋼片及銅片特性產生材質改變及軸向收縮變形，同時材料消耗量大。施作過程產生極大金屬煙塵、噴渣及弧光，需進行完善的工安保護。

2.摩擦壓接銲接法：如US2004139596號公開案及JP7111766號專利案所揭露者，是將銅條組裝穿過矽鋼片兩端並突出部份長度，將一端板經高速旋轉與突出之銅條摩擦而將突出材料熔化並擠壓於矽鋼片端面而將矽鋼片固定。如此形成之端面厚度不足，需再以硬銲方法接合另一端環。此方法可用於小尺寸轉子，對較大尺寸轉子則不易產生足夠摩擦效果，同時需要進行兩段工序，且摩擦接合面容易發生熔合不完全，影響電感效果。

3.摩擦攪拌銲接法：屬於固相接合方法，施工溫度低於材料熔點，因此在接合強度與材料性能上比其它銲接方法優良。然而，此種方法需要專用特殊機具與設計夾具配合。在生產速率上不易提高，銅條接合斷面受限工具的尺寸，必要時需進行雙道次以上施銲。

4.硬銲法-又稱銅銲(brazing)，如CA2191164號專利案及JP2008161024公開案所揭露者，是在接合面間加入硬銲合金材料經加熱將其熔化，為銅條與端環多年來常見與普遍的施工方法。常用的硬銲材料以銀合金材料為主，並依合金種類有不同的硬銲溫度(450℃~962℃)。常見的專利設計有端環加工孔槽讓銅條貫穿或插入再施以硬銲讓銲料滲入縫隙接合。雖然具有可自動批次施工，不受尺寸限制等優點，但缺點為接合面積比率不足，降低電流傳導性、整體加熱溫度高(>900℉)、材料產生時效(aging)，強度降低易變形，且端環與銀合金銲料材料成本高。另外，端環需要有足夠厚度與寬度才有足夠強度進行加工孔槽讓銅條定位，硬銲時外部填入或預置的銀合金銲料要足夠才能滲入端環內部，也因此端環的重量佔據極大成本也會影響馬達啟動性能。所以若端環與銅條間的組合間隙過小，銲料無法完全滲入，接合面積不足；間隙過大則會耗用更多銀材料，增加成本。馬達效率與轉子中的銅條密度/形狀/排列所產生的二次電感有直接關聯，因此當銅條密度增加、外形改變時，組合上也就變得更困難，需要被接合的間隙相對增加。

為了解決上述問題，US20110062819號公開案中提出以金屬塊(slug)取代以往端環的轉子設計與製造方法。透過金屬塊與銅條直接硬銲形成端環的方式製造高效能馬達轉子，其中金屬塊表面外型設計有些微斜度表面並鍍上一層0.016mm厚銀材料。其金屬塊斜度與銅條間的組合角度相乎應，並由銅條外緣插入組合。雖然上述方式具有：可密集排列銅條而達到最高電磁感應效果、免除端環重量，降低整體重量及成本、組合複雜度低，及金屬塊與銅條可靠接合面積增加等優點，但仍具有以下缺點：

1.金屬塊表面鍍銀以作為硬銲材料，銀電鍍成本高且厚度無法精確控制。且金屬塊鍍銀後其邊緣因電流集中效應，厚度會高於中心，影響組裝密合性與銲後接合面積。另外，電鍍僅能以純銀材料進行，其它銀合金則無法採用。

2.純銀熔點為963℃，進行硬銲接合時施作溫度將超過1000℃，不僅幾乎達到銅材的熔點，會有變形與機械強度降低的影響；同時對矽鋼片間的絕緣效果將破壞與降低。而又因為進行硬銲的溫度極高，為避免金屬材料氧化與反應，僅能在真空硬銲爐中進行，增加製作成本。

3.電鍍製程會衍生清洗酸液、鍍銀氰化物溶液的廢液處理，並非符合環保與綠色的理想產品製造方法。

4.金屬塊由銅條外緣插入組合，高速旋轉下金屬塊可能會因為離心力飛出，而一旦金屬塊由銅條的接合面不足，將影響電感與安全性。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以降低組裝成本的轉子及其組裝方法。

於是，本發明轉子的組裝方法，包含以下步驟：

提供一貫穿形成有多個槽道的鐵心、多個傳導棒，及多個複合金屬塊，每一複合金屬塊包括一第一金屬層、二形成於該第一金屬層兩相反面的第二金屬層、一連接第一、二金屬層之一端的第一端面，及一連接第一、二金屬層之另一端且相反於該第一端面的第二端面，該複合金屬塊是由該第一端面往該第二端面的方向漸縮。

再將所述傳導棒分別穿置於該鐵心的槽道內，並使每一傳導棒的兩端皆是突出於該鐵心外，再將每一複合金屬塊塞置於兩相鄰傳導棒之間，其中，定義該鐵心具有一中心軸，每一複合金屬塊是以該第一端面朝向該中心軸，由內而外地以遠離該中心軸的徑向方向將每一複合金屬塊推送塞置於兩相鄰傳導棒之間，以使每一複合金屬塊之第二金屬層是與兩相鄰的傳導棒接觸。

最後將該轉子加溫至所述第二金屬層之熔點，以使所述第二金屬層呈熔融狀，待冷卻後透過所述第二金屬層使第一金屬層與相鄰傳導棒緊密結合。

本發明之另一目的，即在提供一種依上述製造方法所製得的轉子。該轉子包含一貫穿形成有多個槽道的鐵心、多個分別穿置於所述槽道內且兩端突伸於鐵心外的傳導棒，及多個設置於該鐵心外並塞置且接合於兩相鄰傳導棒之間的複合金屬塊，每一複合金屬塊包括一第一金屬層、二形成於該第一金屬層兩相反面的第二金屬層、一連接第一、二金屬層之一端的第一端面，及一連接第一、二金屬層之另一端且相反於該第一端面的第二端面，該複合金屬塊是由該第一端面往該第二端面的方向漸縮。

本發明之功效在於：利用上述組裝方法製成的轉子，不但能組裝時所需加熱的溫度，更能避免電鍍製程產生的污染物，而上述組裝方法能提升傳導棒與複合金屬塊之間的結合度，提高電感與安全性。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之多個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1並配合圖2，為本發明轉子4之較佳實施例，該轉子4可用於電動機或發電機，該轉子4包括一貫穿形成有多個槽道411的鐵心41、多個分別穿置於所述槽道411內且兩端突伸於鐵心41外的傳導棒42(傳導棒可為純銅金屬)，及多個設置於該鐵心41外且塞置於兩相鄰傳導棒42之間的複合金屬塊3(見圖2)，該鐵心41是由多個矽鋼片疊合而成，要說明的是，為了便於說明，於圖1中省略複合金屬塊3未繪出。

如圖3、4所示，該複合金屬塊3包括一第一金屬層31、二形成於該第一金屬層31兩相反面的第二金屬層32、一連接第一、二金屬層31、32之一端的第一端面33，及一連接第一、二金屬層31、32之另一端且相反於該第一端面33的第二端面34，該複合金屬塊3是由該第一端面33往該第二端面34的方向漸縮。該第一金屬層31的材質是選自於銅，所述第二金屬層32的材質是選自於銀合金，當然第二金屬層32的材質也可以是選自於銅合金，能視實際製造情形進行調整，第二金屬層32之厚度可在0.1mm以下。

再參閱圖1、2，接下來則說明該轉子4的組裝方法，首先，將所述傳導棒42分別穿置於該鐵心41的槽道411內，並使每一傳導棒42的兩端皆是突出於該鐵心41外。然後，再將每一複合金屬塊3設置於該鐵心41外且塞置於兩相鄰傳導棒42的突出部分之間。詳言之，可定義該鐵心41具有一中心軸412，每一複合金屬塊3是以該第一端面33朝向該中心軸412，並由內而外地以遠離該中心軸412的徑向方向將每一複合金屬塊3推送塞置於兩相鄰傳導棒42之間，以使每一複合金屬塊3之第二金屬層32是與兩相鄰的傳導棒42接觸。

最後，再將該轉子4加溫至所述第二金屬層32之熔點，以使所述第二金屬層32呈熔融狀，待冷卻後透過所述第二金屬層32使第一金屬層31與相鄰傳導棒42緊密結合，以組裝完成本發明之轉子。

參閱圖5，以下更進一步說明該複合金屬塊3的製造方法，包含一準備步驟21、一軋延步驟22，及一裁切步驟23。該準備步驟21提供該第一金屬層31，並於該第一金屬層31的兩相反面皆形成有第二金屬層32，該軋延步驟22是將形成有第二金屬層32的第一金屬層31進行軋延，而形成一複合金屬層，該裁切步驟23是將複合金屬層依需要進行必要尺寸的裁切加工，而成型出一如圖3所示的複合金屬塊3。

要特別說明的是，於該準備步驟21中，可以是如圖7所示，以同步送料的方式使所述第二金屬層32夾住該第一金屬層31，然後再進行該軋延步驟22。例如，以上、下二捲銀合金層(即第二金屬層32)，中間為一銅層(即第一金屬層31)，以同步送料將所述第二金屬層32夾住中間的第一金屬層31通過輥軋壓延機，利用軋延方式將三層材料結合為一體，組成銀合金/銅/銀合金之三明治複合材。同時經由軋延方式可精確控制複合材料外形與尺寸，可進行後續精密組裝應用，而此三層結構彼此厚度可經由軋延前之銅層、銀合金層厚度與軋延條件進行調整。

另外，於該準備步驟21中，也可以是如圖7所示，以噴塗的方式使所述第二金屬層32形成於該第一金屬層31的兩相反面，然後再進行該軋延步驟22。例如，以噴塗方法將銀合金線材或粉材，藉由如以火焰、電弧或電漿將銀合金線材或粉材熔化後，經噴槍連續噴塗於第一金屬層31上下兩側，隨後進入軋延機組，將三層材料軋實與控制複合材之外形與尺寸，而此三層結構彼此厚度可經由噴塗速率及軋延條件進行調整。

本發明藉由上述製程與結構，於實際製造使用時具有以下所述的優點：

(1)銲接溫度低、降低成本、提高品質：

本發明之複合金屬塊3之第二金屬層32的材質是選用銀合金取代純銀，則材料成本可降低30%以上，並能將超過1000℃的銲接溫度降低至900℃以下，不但材料的取得成本降低，大幅降低生產成本，同時銲接溫度降低也能減少對鐵心41絕緣效果的破壞，同時也減少傳導棒42有變形與機械強度降低的情形，使轉子4的電感特性改變小、機械強度高，效能與可靠度增加，而能提高轉子4的品質。

(2)製程環保，材料選擇性較多，提高組裝密合性：

本發明不使用電鍍銀方式，因此可以選用其他種類的合金(例如銀合金或銅合金)作為複合金屬塊3之第二金屬層32的材質，不但材料選擇性較多，也不會有電鍍製程所產生之有毒廢液，不但製程環保，節省廢液處理的成本，還能避免金屬因電鍍製程所產生之電流集中效應，而能提高各元件的組裝密合性。另外，複合金屬塊3之向外漸縮的外形與兩相鄰傳導棒42之向外漸縮的間隙相匹配，因此組裝時，複合金屬塊3與兩相鄰傳導棒42之接合可達到緊密面接觸，接合面積可達100%全面接觸，二次電感效果佳。

(3)高速旋轉下不影響各元件的密合度：

本發明利用該複合金屬塊3是由該第一端面33往該第二端面34的方向漸縮的形態，再配合組裝時是以該第一端面33由內而外地以遠離該中心軸412的徑向方向將複合金屬塊3推送塞置於兩相鄰傳導棒42之間，因此即使是使用時高速旋轉而產生離心力，也不易使所述複合金屬塊3向外脫離，大幅提升使用安全性。因此，本發明不需額外端環固定防止接合不良狀況。

綜上所述，本發明藉由上述製程與結構而能使轉子之元件的製造與組裝過程達到降低成本、製程環保、材料選擇性較多、元件密合性高等優點，並大幅提升使用安全性，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

21．．．準備步驟

22．．．軋延步驟

23．．．裁切步驟

3．．．複合金屬塊

31．．．第一金屬層

32．．．第二金屬層

33．．．第一端面

34．．．第二端面

4．．．轉子

41．．．鐵心

411．．．槽道

412．．．中心軸

42．．．傳導棒

圖1是一立體圖，說明本發明轉子之較佳實施例，為了便於說明，圖中省略複合金屬塊未繪出；

圖2是一俯視圖，輔助說明圖1；

圖3是一立體圖，說明複合金屬塊的整體形態；

圖4是一側視圖，輔助說明圖3；

圖5是一流程圖，輔助說明複合金屬塊的製造方法；

圖6是一示意圖，輔助說明圖5中的準備步驟是以同步送料的方式進行；及

圖7是一示意圖，輔助說明圖5中的準備步驟是以噴塗的方式進行。

3．．．複合金屬塊

31．．．第一金屬層

32．．．第二金屬層

33．．．第一端面

34．．．第二端面

4．．．轉子

41．．．鐵心

411．．．槽道

412．．．中心軸

42．．．傳導棒

Claims (10)

1. 一種轉子的組裝方法，包含下列步驟：提供一貫穿形成有多個槽道的鐵心、多個傳導棒，及多個複合金屬塊，每一複合金屬塊包括一第一金屬層、二形成於該第一金屬層兩相反面的第二金屬層、一連接第一、二金屬層之一端的第一端面，及一連接第一、二金屬層之另一端且相反於該第一端面的第二端面，該複合金屬塊是由該第一端面往該第二端面的方向漸縮；將所述傳導棒分別穿置於該鐵心的槽道內，並使每一傳導棒的兩端皆是突出於該鐵心外，再將每一複合金屬塊塞置於兩相鄰傳導棒之間，其中，定義該鐵心具有一中心軸，每一複合金屬塊是以該第一端面朝向該中心軸，由內而外地以遠離該中心軸的徑向方向將每一複合金屬塊推送塞置於兩相鄰傳導棒之間，以使每一複合金屬塊之第二金屬層是與兩相鄰的傳導棒接觸；及將該轉子加溫至所述第二金屬層之熔點，以使所述第二金屬層呈熔融狀，待冷卻後透過所述第二金屬層使第一金屬層與相鄰傳導棒緊密結合。
2. 依據申請專利範圍第1項所述轉子的組裝方法，其中，該複合金屬塊的製造方法包含下列步驟：一準備步驟，提供該第一金屬層，並於該第一金屬層的兩相反面皆形成有所述第二金屬層；一軋延步驟，將形成有所述第二金屬層的第一金屬層進行軋延，以形成一複合金屬層；及一裁切步驟，將該複合金屬層依需要進行必要尺寸的裁切加工，而成型出一複合金屬塊。
3. 依據申請專利範圍第2項所述轉子的組裝方法，其中，於該準備步驟中，是以同步送料的方式使所述第二金屬層夾住該第一金屬層。
4. 依據申請專利範圍第2項所述轉子的組裝方法，其中，於該準備步驟中，是以噴塗方式使所述第二金屬層形成於該第一金屬層的兩相反面。
5. 依據申請專利範圍第4項所述轉子的組裝方法，其中，該噴塗方式是將所述第二金屬層之線材或粉材熔化後，經噴槍連續噴塗該第一金屬層的兩相反面。
6. 依據申請專利範圍第3或4項所述轉子的組裝方法，其中，該第一金屬層的材質是選自於銅，所述第二金屬層的材質是選自於銀合金或銅合金。
7. 依據申請專利範圍第6項所述轉子的組裝方法，其中，每一第二金屬層的厚度在0.1mm以下。
8. 依據申請專利範圍第1項所述轉子的組裝方法，其中，每一複合金屬塊之向外漸縮的外形與兩相鄰傳導棒之向外漸縮的間隙相匹配。
9. 一種轉子，包含：一鐵心，貫穿形成有多個槽道；多個傳導棒，分別穿置於所述槽道內且兩端突伸於鐵心外；及多個複合金屬塊，設置於該鐵心外並塞置且接合於兩相鄰傳導棒之間，每一複合金屬塊包括一第一金屬層、二形成於該第一金屬層兩相反面的第二金屬層、一連接第一、二金屬層之一端的第一端面，及一連接第一、二金屬層之另一端且相反於該第一端面的第二端面，該複合金屬塊是由該第一端面往該第二端面的方向漸縮。
10. 依據申請專利範圍第9項所述轉子，其中，每一複合金屬塊設置於兩相鄰傳導棒之間時，每一複合金屬塊向外漸縮的外形與兩相鄰傳導棒之向外漸縮的間隙相匹配。